Prakt. Met. Sonderband 41 (2009) 3
Metallographische Analysemethoden im Produktionsalltag der Werk-
zeugbeschichtung
Oliver Lemmer, Walter Reichert, Stephan Bolz, Peter Jaschinski
CemeCon AG, Würselen
1 Einleitung
Die Sicherung des Qualitätsstandards im Produktionsalltag der Dünnschichtabscheidung stellt hohe
Anforderungen an die Qualitätskontrolle, insbesondere an die metallographischen Analysemetho-
den. Aus anwendungsbezogener Sicht spielen Eigenschaften wie Schichtdicke, Haftung, Härte und
Elastizitätsmodul eine wichtige Rolle, um Aussagen über die Qualität einer Schicht oder eines
Schicht-Substratverbundes treffen zu können. Im Folgenden werden Verfahren der Oberflächenana-
lytik zur Dünnschichtcharakterisierung vorgestellt, die bei der CemeCon AG zum Einsatz kommen.
Zunächst werden grundlegende Schichtinformationen ermittelt, die für jedes Schichtsystem benötigt
werden. Die Grundcharakterisierung umfasst die Ermittlung der Schichtdicke, der Haftfestigkeit des
Schichtsystems auf dem Substrat, der Härte des Grundwerkstoffs sowie der Schichtstruktur. Wei-
terhin werden spezifische Kriterien untersucht, die aus dem Anforderungsprofil des Schichtsystems
entsprechend dem Einsatzgebiet abgeleitet werden. Die spezifischen Kriterien werden in die weiter-
führende und die anwendungsnahe Charakterisierung unterteilt. Unter weiterführende Untersuchun-
gen versteht man die Ermittlung von Schicht- und Substrateigenschaften, die für die Entwicklung
notwendig sind, jedoch keine direkte Aussage für den Anwendungsfall liefern. Darunter fallen
Aspekte wie die chemische Zusammensetzung, die Textur, die Eigenspannungen, die Mikrohärte
der Schicht sowie die Oberflächenrauheit der Proben.
Bei Grundcharakterisierung des Werkstoffverbundes werden die Analysetechniken Rockwell-
test/Rockwelleindringprüfung, Kalottenschliff und Scratch- bzw. Ritztest eingesetzt, sowie Quer-
schliffe und Bruchproben im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Aus der Rockwellprüfung er-
hellt man neben der Härte des Substrats erste Aussagen über die Haftfestigkeit zwischen Schicht
und Substrat. Der Kalottenschliff wird zur Schichtdickenbestimmung verwendet. Neben einer Aus-
sage zur Schichtdicke gewinnt man auch hier einen Eindruck über die Haftfestigkeit des Schichtsy-
stems, sowie eine Aussage über die Abrasionsbeständigkeit der Schicht. Eine konkretere, qualitative
Aussage zur Haftfestigkeit kann über den Scratchtest und die Rockwelleindringprüfung ermittelt
werden. Als zusätzliche Informationen aus dem Scratchtest erhält man Aussagen zur Art der
Versagensform und der kritischen Last des Schichtsystems. Zur Untersuchung der Schichtstruktur
wird die Rasterelektronenmikroskopie verwendet. Neben der Schichtstruktur ist auch die Anbin-
dung der Schicht an das Substrat in dieser Untersuchung bewertbar.
Nach der Grundcharakterisierung werden anhand der späteren Anforderungen an das Schichtsystem
die weiterführenden und anwendungsnahen Untersuchungen festgelegt So erfolgt die Schichthärte-
bestimmung ohne Substrateinfluss durch eine Messung mit dem Nanoindenter. Gleichzeitig wird
